昆虫复眼的仿生运用

**大学本科学生课堂论文
昆虫复眼的仿生运用
学生：
学号：
专业：生物工程
**大学生物工程学院
二O一四年六月
摘要
复眼是昆虫最重要的视觉器官，由多个小眼组成，其在形态学、解剖学、生理学及光学等方面与其它无脊椎动物和脊椎动物的眼睛有着显著的差异，从而使节肢动物具有其它动物所不及的视觉特性，因此, 复眼的独特性使它很早就受到人们的广泛关注, 随着科学技术的进步，学者们利用电镜从形态学与解剖学角度对复眼的结构进行了研究,还从生理学及光学方面探讨了复眼成像的原理及其功能, 利用分子技术、遗传技术等对复眼的发生及其功能从本质上进行研究。

本文将从结构、人工仿生及应用等方面对昆虫复眼的研究近况进行了综述,并展望了其发展趋势。

关键词:生物光学;昆虫复眼;人工仿生
昆虫的复眼是昆虫最重要的光感受器，复眼是由一个个独立的小眼构成，每个小眼主要是由角膜、晶锥、感杆束、色素细胞、基膜等组成。

角膜和晶锥构成了复眼的屈光器，主要是起到透光、保护感受器和屈光的作用。

感杆束和色素细胞可以随着光强的变化而变化，起到调节光量的作用，同时还起到视觉定向功能的作用。

基膜是连接小眼和视神经的部分，起到了增加视神经感受性和支撑小眼的作用。

在昆虫的各种感受器中，光感受器无疑是最重要的。

尤其对于快速飞行的昆虫来说，复眼是快速获得信息的中心。

角膜作为复眼的最外层主要是起到保护感受器的作用。

角膜的透光度极高，烟草天蛾对400-650nm的光透过率可达90%，近紫外区的光线几乎完全可以透过，而远紫外区的则不能，起到保护的作用。

大部分的昆虫的晶锥都形成晶束，这些晶束的直径可以决定能否把物象传递给感杆束，还可以起到光导管的作用。

色素细胞主要是包围着感杆和晶锥，吸收、分散到达每个小眼的光线，通过色素细胞的移动来调节到达视杆的光量，适应环境中光的强度，可能起到脊椎动物的虹膜作用。

感杆束和色素细胞很好的起到了调节光强，使复眼适应不同光强度变化的作用。

昆虫复眼对光强的适应能力和范围都是很大的。

首先是光通过屈光器进入到感杆束，为了调节适应的光强，色素细胞开始移动，或横向或纵向，有的感杆束也可以进行上下伸缩移动，这样完成了类似于人类的瞳孔调节机制。

不同类型的昆虫复眼在进行光适应时也具有一定的区别。

比如蜜蜂有3种视锥细胞，分别拥有峰值在530 nm 的绿色光感受器，460 nm 的蓝色光感受器，360 nm 的紫外光感受器，可识别绿、蓝、紫 3 种颜色光的波长而不能识别红色，但其对有优质蜜的红花却是很乐意去采，原因是他们利用了亮度差（非色差对比），从而找到了红花。

此外，蜜蜂还可以识别紫外线，也就是说蜜蜂所看到的世界与人类所看到的世界是不一样：我们所看到的世界只是红、绿、蓝三原色的叠加，而蜜蜂所看到的则是具备第四位色彩的世界。

美国 Cornell大学的研究人员也已发现蜜蜂对于花中心部位（富含类固醇）放射出的紫外线格外敏感，这使得蜜蜂能够准确无误地落在任何一种颜色的花上[2]。

根据复眼结构，人们用将多个小透镜阵列排列的方法进行模拟，制造
出人工复眼，而大多数人工复眼只能模拟简单的并列复眼。

人工复眼作为
一种多孔径的光学成像系统，可以完成单孔径系统无法完成的工作，当前
人工复眼主要集中在以下几个方面。

2.1摄像系统：在蝇类复眼启示下，研发出一种能够同时拍摄上千张清
晰图片的照相机，提高了大范围采集图像信息的效率，应用于军事、航
空、医学等领域。

在印刷术中，人工复眼可实现非接触式平板印刷，使
其具有更大的聚焦深度、更长的工作距离和更大的印刷面积。

[3]
2.2机器人视觉系统：人工复眼光学系统在智能机器人视觉系统中得到了广泛的应用。

由于复眼系统具有体积小,重量轻,视场大等优点使其有利于减少承载它的系统所需的能量，也有利于减少系统的体积,同时可以在360°视场范围内监控目标。

系统通过对人工复眼探测器所收集到的外界信息进行处理,可以实现对目标的识别、跟踪、测速。

通过实验，可以使智能机器人“自己”躲避开周围的障碍物。

2.3导弹导引系统：人工复眼系统还应用到了导弹的导引装置中。

昆虫可以利用复眼以及后面的神经系统快速、准确地处理视觉信息，实时的计算出前面目标的方位及速度，同时发出指令，控制并校正自己的飞行方向和速度，以便跟踪和截获目标。

模仿复眼的功能,利用两个调制盘与一个成像探测器,构造一个在导弹导引头上的多模导引的应用,使导弹能够获得目标的三维空间位置信息。

再加之复眼系统大视场的特点，使人工复眼系统在导弹的导引装置中有很高的应用价值，在国内外军事领域都得到了广泛的重视。

2.4定位系统:利用复眼系统的特点，NASA还研制了一种复眼型GPS姿态传感器，它由六个天线组成，可以从多个方向分别收集到不同的GPS卫星的信号，通过数据处理，可以准确的进行位置及其姿态的定位。

目前研究发现，
蜜蜂、蚂蚁以及一些迁徙性蝴蝶复眼的背边缘区小眼中的感光细胞分子对偏振光非常敏感，因而有着良好的定向功能，根据此原理制成了偏振定向仪，广泛应用于航空和航海领域[4]。

此外，某些昆虫（如象鼻虫）的复眼构造精巧，运动知觉能力强，能够看清楚快速运动的物体，人们根据这类复眼结构的特点，研制出了从空中相对地面的地速度仪，借以指示飞行物的飞行速度。

3.人工复眼仿生的预期
3.1随着微光学技术提高，人工复眼越来越接近自然复眼，使机械运作更加智能化。

更高质量的复眼安装到探测器、传感器上后，利用复眼的角膜是一个多透镜的阵列,整个复眼就是由每个小眼组成的一个大视野的成像视觉系统,大约180°,有的接近360°的特性。

我们可以开发出了多种不同用途探测系统，用于对运动目标的快速监测和全景图的制作。

3．2利用有的昆虫的复眼具有对强光的反射作用，制作降低强光对人眼刺激的眼镜。

3.3利用蜜蜂复眼对色彩的特殊感受能力的原理，制作用于进行活体目标发现、救援等活动的机器昆虫或是无人机，提高目标搜寻能力。

3.4能进行破坏处理的袭击或来袭目标，进行高效的拦截、捕获操作。

4.人工仿生复眼中存在的问题
虽然复眼的结构及其工作原理已经很清楚了，人们也制造出了许多人工复眼，并且在不同的领域中得到应用，但是由于目前在微光学加工工艺、装调水平、后期的数据融合以及信息处理等方面的种种限制，现在的人工复眼结构还比较简单、粗糙，与昆虫复眼的功能相比还有很大的差距。

目前将透镜曲面阵列形成的人工复眼中，单个透镜的尺寸还无法达到毫米量级以下，这种曲面阵列多数采用分别制作单个透镜小眼，然后再将其拼接的方法来制作。

这样就使得制造过程很复杂，而且装调也十分困难，也妨碍了其进一步小型化。

尺寸在毫米量级以下的人工复眼结构目前都是平面阵列的，其中的微透镜阵列多是采用光刻胶热熔的方法来制造，这样就对大视场的实现形成了很大的障碍。

有些结构也只是用平面阵列的场镜来扩大视场，一方面，这样得到的视场无法与曲面阵列得到的大视场相比；另一方面，也使得边缘视场的成像质量大大下降。

另外，折射重叠型复眼有更高的光能量利用率和更高的灵敏度，但是由于其结构比较复杂，再加上各种工艺水平的限制，人工复眼目前还很少有重叠型的。

参考文献
[1] 匡邦郁．蜜蜂的视觉[J]．蜜蜂杂志，1981 （ 1 ）：39．
[2] 文铮.蜜蜂眼中的花朵[J].科学世界,2004 （3）：66-69．
[3］芦丽明-蝇复眼在导弹上的应用研究［C］，红外技术，2011,2:9-11.
[4］吴梅英-复眼光学及其在国民经济中的应用［C］，量子电子学，1995,12:418-419.。